2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of low-energy molecular sensors with nanosale thermal-aware device design and operand spectroscopy
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19H00756
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
内田 建 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (30446900)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
近藤 寛 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (80302800)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 金属ナノシート / オペランド分光 / ガスセンサ / ジュール熱 / 触媒 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，気相中に漂う低分子ガスの分子種と濃度を，超長期にわたり低エネルギーで認識するセンサを合金ナノシートで創出することを目的としている.合金ナノシートの材料探索に加え，ジュール加熱による吸着脱離と化学反応制御で分子認識能を獲得し，オペランド分光により合金表面での触媒反応と合金 ナノシートの電気抵抗の関係を学術的に理解することを目指している.
本年度は，合金を含めた金属ナノシートの機能をジュール加熱によって向上させるために，(1) Auナノシートをチャネル，合金アクセス部（チャネルと電極を接続する部位），電極部とするデバイス構造の熱シミュレーションの実施，(2) 水素に高い応答を示しながらアンモニアにはほとんど応答しないPtRh合金ナノシートセンサのオペランド準大気圧XPS測定に基づいた動作モデルの構築，(3) 金属伝導を示すIrO2をチャネル部とするメタンセンサの開発，(4) 金属ナノシートを集積化するためのセレクター素子として機能するZnOダイオードの開発を行った.
その結果，(1)については，熱伝導の低い合金アクセス部を設けることで，チャネル部に熱が局在化し，低電力センサとして機能することを見出した．(2)については，PtRh合金ナノシートで水素に対して（アンモニアよりも）高い選択性を示すのは，表面に析出したPtが水素を解離する一方で，酸化したRhがアンモニアをブロックするためであることが分かった，(3)については，IrO2が還元性ガス中で抵抗が増大するという特異な性質を示すことを明らかにした，(4)については，ZnO中の水素がZnO中の主たるドナーとして機能し，また水素とZn空孔の複合欠陥も空乏層中でドナーとして機能することを明らかにした．
今後は，合金ナノシートを集積化し，集積化センサによって単一センサでは発現できない機能を実証していく．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
気相中を漂う分子を認識する分子センサは，その選択性(標的分子のみに応答し夾雑分子には応答しない)と堅牢性の実現が大きな課題であった.選択性については，本年度の実験と解析により，PtR合金ナノシートが水素に対して高い選択性を示す物理モデルを後述の通りオペランド分光の実験データを解析することで明らかになった．本研究課題では，ジュール加熱をした金属ナノシートの集積化を目指しているが，昨年度までに開発したTiN密着層を用いることで，同一基板上に作製した複数のセンサが，ほぼ完全に同じ特性を示すことに成功した．また，金属ナノシートセンサを多数集積化するために必要な低温での酸化物ダイオードの作製に成功し，結晶欠陥の解析や特性ばらつきの起源なども明らかにした．堅牢性については，金属ナノシートが有する本質的な安定性のお陰で，多数回の繰り返しでもほとんど性能が劣化しないことを示すデータも取得している．ジュール加熱を低消費電力で実現するためのデバイス構造についても有限要素シミュレータで明らかにした．また，担持材料を変えることで，センサ機能が多様化することを示す予備的データも得られている．
オペランド分光による表面状態の探索では，これまでに，PtRhをはじめとする合金ナノシートにおいて，抵抗と表面状態の相関を示すデータを取得した.その分析結果から，合金表面に存在するRh酸化物がアンモニアをブロックし，表面に一部存在するPtが水素を効率的に検出するメカニズムを提案することが出来た.
以上のように，本課題の目的である①合金ナノシート分子認識能の高度化，②センサ表面での化学反応や吸着脱離のジュール熱による制御，③表面状態がセンサ特性に及ぼす影響のオペランド分光による明確化，という本研究の目標を，最終年度の前年度にして，ほぼ達成できている状況にある．
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| Strategy for Future Research Activity |
金属ナノシート分子センサの開発では，(1) 大電流を流すことで金ナノシートにジュール熱を発生させ，センサ応答を高速化すること，(2) センサ表面を繰り返しリフレッシュする機能を実現することを目指す.しかし，ジュール発熱が発生する程度の大電流を流すことで，エレクトロマイグレーション(EM)による センシング材料(金属ナノシート)の破断が懸念される.この課題に対し，高周波交流電流によるジュール発熱などにより，EM耐性の向上を目指す.また，(3) 低分子の中でも低濃度検出が特に困難なメタンや生体ガスとして重要なアンモニアをターゲットとし，合金化により，これらのガスを検出するための合金ナノシートの設計指針を策定する.本年度までに，IrO2をセンサ材料とすることで，メタンの検出が可能であることが明らかになった．まだ分子選択性と感度で課題があるために，これらについて最適化を進める．さらに，センシングメカニズムについては，大規模分子シミュレータを活用することで，分子レベルでの理解を目指す．
オペランド分光による表面状態の探索では，これまでに構築した準大気圧XPSを用いた標的ガス存在下での金属ナノシートの分析技術を活用して，昨年度までにPtRh合金ナノシートを用いて水素ガス，アンモニアガスに対するセンシング特性の違いを調べ，センシングにおける表面のPtとRhの役割分担を明らかにした.今年度は，IrO2ナノシートやWO3ナノワイヤなどより多様なセンシング材とセンシング構造に展開し，メタンやアンモニアセンサの分析による分子センシングメカニズムの広範かつ統一的な理解へと繋げていく.
最後に，センサの認識能を向上させるために，熱や電界を利用するだけでなく，分子の選択的透過膜と組み合わせて，さらに機能（選択性）を向上させることを目指す．
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Research Products
(18 results)
